Изображающий гиперспектрометр

Изобретение относится к области оптической спектроскопии. Изображающий гиперспектрометр состоит из узкой щели, расположенной в передней фокальной плоскости объектива,дифракционной решетки, второго объектива, строящего изображение спектра на ПЗС матрице. Щель выполнена в виде полукольца, расположенного вдоль радиальной полярной координаты входного зрачка, дифракционная решетка выполнена со штрихами, изогнутыми в кольца. Данный изображающий гиперспектрометр позволяет получить гиперспектральные изображения высокого разрешения за счет компенсации аберраций при меньшей, чем у прототипа, стоимости.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА Изобретение относится к области оптической спектроскопии. В настоящее время одним из важных и приоритетных направлений развития средств и методов дистанционного зондирования земной поверхности является разработка и применение изображающих спектрометров. Особенности этой задачи таковы, что требуется относительно небольшое спектральное разрешение(5-10 нм), что позволяет использовать дисперсионные схемы, но достаточно хорошее пространственное разрешение. Как правило, использование дифракционной решетки в составе спектрометра приводит к возникновению дополнительных аберраций, что при наличии требований по пространственному разрешению недопустимо. Для компенсации этих аберраций используются выпуклые дифракционные решетки в оптической схеме Оффнера (патенты US 5880834, МПК G01J 3/36, опубл. 9.03.2009 г., US 6100974,МПК G01J 3/00, опубл. 8.08.2000 г., US 7944559 В 2, МПК G01J 3/28, опубл. 17.05.2011 г.). Основной недостаток предложенных решений - необходимость изготовления выпуклой дифракционной решетки, что технологически трудновыполнимо в настоящее время. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство,основанное на схеме Оффнера с выпуклой дифракционной решеткой, которая для компенсации аберраций имеет непараллельные штрихи (патент US 6266140 B1, G01J 3/28, опубл. 24.07.2001 г.). Данное устройство максимально устраняет оптические аберрации, присущие как классической оптике, так и системам, которые содержат выпуклые дифракционные решетки. Главным недостатком этого устройства также является технологическая трудность изготовления выпуклой дифракционной решетки, причем трудность эта усугубляется непараллельностью штрихов дифракционной решетки. Целью изобретения является минимизация аберраций в оптической системе гиперспетрометра с использованием плоского дифракционного оптического элемента. Указанная цель достигается тем, что изображающий гиперспектрометр состоит из узкой щели, расположенной в передней фокальной плоскости объектива, дифракционной решетки, второго объектива,строящего изображение спектра на ПЗС матрице, согласно изобретению щель выполнена в виде полукольца, расположенного вдоль радиальной полярной координаты входного зрачка, дифракционная решетка выполнена со штрихами, изогнутыми в кольца. Заявляемые технические решения отличаются от прототипа тем, что вместо прямой входной щели используется щель в виде узкого полукольца (фиг. 1) и вместо выпуклой дифракционной решетки с непараллельными штрихами - дифракционная решетка со штрихами, изогнутыми в кольца. Таким образом, устраняется основной недостаток прототипа -технологическая трудность изготовления выпуклой дифракционной решетки. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемых технических решений критерию"новизна". Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемым решениям соответствие критерию "существенные отличия". Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена щель в виде узкого полукольца,на фиг. 2 - оптическая схема устройства,на фиг. 3 - дифракционная решетка со штрихами, изогнутыми в кольца. Изображающий гиперспектрометр состоит из узкой кольцевой щели 1, расположенной в передней фокальной плоскости объектива 2, круговой дифракционной решетки 3 и объектива 4, который строит изображение спектра на ПЗС матрице 5. Входная щель 1, расположенная в передней фокальной плоскости объектива 1, вырезает из поля зрения область, каждая точка которой будет разлагаться в спектр. Объективы 2 и 4 формируют изображение спектра на поверхности ПЗС матрицы (прибор с зарядовой связью). В фокальной плоскости линзы 2 располагается фазовая круговая дифракционная решетка, функция пропускания которой определяется выражением где r,- полярные координаты, d - период решетки. Внешний вид такой решетки представлен на фиг. 3. Белые области соответствуют выступам, а черные области - впадинам. Такой дифракционный оптический элемент формирует для каждой точки входной щели спектральное разложение, развернутое вдоль полярной координаты r в плоскости ПЗС матрицы. В результате изменения формы входной щели из поля зрения во входном зрачке прибора выделяется область с одинаковым расстоянием до оптической оси. Функция волновой аберрации оптической системы без учета постоянных членов и расфокусировки определяется выражением где ,- полярные координаты в плоскости входного зрачка,-1 024777r - радиальная полярная координата в плоскости изображения.Wc=c14 - сферическая аберрация,W = c5r3 cos - кома,W = c2r22 cos2+ c3r22 - астигматизм и кривизна поля,W = c4r3cos - дисторсия. В предложенной конструкцииconst, rconst. Как видно из выражения (2), по крайней мере два из пяти членов аберрационного разложения (сферическая аберрация, кривизна поля) в этом случае будут постоянными величинами, что позволяет довольно просто их компенсировать смещением плоскости изображения. Оставшиеся три вида аберраций зависят только от полярного угла, что означает их постоянство для каждой точки входной щели, т.е. в этом случае аберрации довольно просто устраняются цифровой обработкой. Также в этом случае довольно просто решается задача минимизации аберраций за счет изменения конфигурации объективов 2 и 3. Данный изображающий гиперспектрометр позволяет получить гиперспектральные изображения высокого разрешения за счет компенсации аберраций при меньшей, чем у прототипа, стоимости. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Изображающий гиперспектрометр, состоящий из узкой щели, расположенной в передней фокальной плоскости объектива, дифракционной решетки, второго объектива, строящего изображение спектра на ПЗС матрице, отличающийся тем, что щель выполнена в виде полукольца, расположенного вдоль радиальной полярной координаты входного зрачка, дифракционная решетка выполнена со штрихами, изогнутыми в кольца.